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Laser messen dreckige Luft

Der Laserstrahl erwärmt die Luft, indem die Russteilchen das Licht schlucken.

Der Laserstrahl erwärmt die Luft, indem die Russteilchen das Licht schlucken.

Forschende der FHNW entwickeln ein neues Messgerät, das die Konzentration von krebserregenden Russpartikeln in der Luft in Echtzeit anzeigt. Dabei kommen zwei Laser zum Einsatz.

Russ aus Strassenverkehr und Holzfeuerungen ist krebserregend und kann das Herz-Kreislauf-System schädigen. Wegen ihrer geringen Grösse von weniger als einem Tausendstel-Millimeter dringen Russpartikel tief in die Lunge ein und können dort sogar in die Blutbahn übertreten. Trotz seiner Bedeutung für unsere Gesundheit, ist es bislang nicht möglich, die Konzentration von Russ in der Luft exakt zu messen. Bisherige Methoden können um den Faktor drei danebenliegen.

Dies wollen Wissenschaftler der Fachhochschule Nordwestschweiz in Brugg-Windisch nun ändern. Ernest Weingartner, Professor für Mess- und Sensortechnik, und sein Team entwickeln ein neues Verfahren, bei dem zwei sich kreuzende Laserstrahlen präzise Messresultate in Echtzeit ermöglichen sollen.

«Wie ein schwarzes T-Shirt»

Dabei spielt ihnen die Farbe des Russes in die Hände. «Russ ist das Schwärzeste, das es in unserer Umwelt gibt», sagt Weingartner. «Der Russ absorbiert Licht, das auf ihn trifft, und wandelt dieses in Wärme um, wie ein schwarzes T-Shirt, in dem uns an der Sonne heiss wird.»

Diesen Effekt nutzt das neue Messverfahren. Dazu wird im Messgerät ein Laserstrahl durch angesaugte Luft gelenkt. Die Russteilchen, die von dem Strahl getroffen werden, schlucken das Laserlicht und wandeln es in Wärme um. Je mehr Russ in der Luft vorhanden ist, desto stärker die Erwärmung.

Die eigentliche Messung übernimmt dann ein zweiter Laser. Sein Strahl wird in zwei identische Zwillinge geteilt. Einer davon wird durch die erwärmte Luft gelenkt. Da diese etwas dünner ist, bewegt sich das Licht in ihr etwas schneller als der zweite Strahl, der auf einer gleich langen Strecke durch unverschmutzte Luft führt. Am Ende werden beide Strahlen wieder vereint. Weil aber einer der Strahlen etwas schneller als der andere war, kommt es beim Eintreffen am Messgerät zu einer sogenannten Phasenverschiebung. Das heisst, ihre Lichtwellen geraten aus dem Gleichtakt. Das führt dazu, dass sich die Strahlen gegenseitig bis zu einem gewissen Grad aufheben und darum dunkler werden. Aus der Stärke der Abdunkelung lässt sich nun die Russkonzentration berechnen.


Rückschlüsse auf Verursacher

In Zukunft könnten Umweltbehörden das neue Messgerät für die Überwachung der Luftqualität verwenden. Ebenso lassen sich Rückschlüsse auf Grösse und Form der Russteilchen ziehen und damit auf den Ursprung derselben. Denn bis heute ist nicht klar, wie viel Russ genau aus Autoauspuffen stammt und wie viel aus anderen Quellen wie Holzöfen. «Welcher Verursacher wie viel Russ produziert, wissen wir nur punktuell», sagt Weingartner. «Mit diesem Gerät könnten wir in Zukunft flächendeckend sagen, wer die Luft wie stark verschmutzt. Und diese Daten dienen letztlich als Entscheidungsgrundlage für die Umweltpolitik.»


ADHS: Besser konzentrieren dank Hirntraining

Menschen mit ADHS können sich nur schwer konzentrieren. Aber sie können es dank eines speziellen Gehirntrainings lernen. Die Fachhochschule Nordwestschweiz arbeitet an der Weiterentwicklung eines Therapieverfahrens mit.

FHNW-Student Sven Altermatt beim Neurofeedback-Experiment im Labor.

FHNW-Student Sven Altermatt beim Neurofeedback-Experiment im Labor.

Immer wieder schweifen ihre Gedanken ab; sich auf etwas zu konzentrieren, fällt ihnen schwer: An der Aufmerksamkeitsdefizitstörung ADHS leiden in der Schweiz etwa fünf Prozent der Kinder und vier Prozent der Erwachsenen. Um diesen Menschen zu helfen, gibt es neben diversen Medikamenten – darunter das weitherum bekannte Ritalin – auch eine Therapie namens Neurofeedback.

Es handelt sich um ein Gehirntraining, mit dem von ADHS Betroffene lernen, ihre Konzentration zu verbessern. Dabei sitzen die Patienten vor einem Bildschirm und schauen sich ein Videospiel an, zum Beispiel eine Rakete, die durch den Weltraum fliegt. Gleichzeitig messen Elektroden, die auf der Kopfhaut angebracht sind, die Gehirnaktivität. Diese Aktivität verändert sich, wenn sich der Erregungszustand des Gehirns verändert – zum Beispiel, wenn man die Konzentration verliert. Dies merkt der Computer und gibt den Patienten in Echtzeit ein Feedback, indem sich im Videospiel etwas ändert, die Rakete zum Beispiel langsamer fliegt. Dadurch erkennt das Gehirn, dass es die Animation am Bildschirm verändern und sich selbst regulieren kann. Dazu muss es die Gehirnaktivität im Bereich, der die Elektroden trägt, so regulieren, dass es wieder in einen konzentrierten Zustand findet.

So lernen Patienten nicht nur, wie sich ein konzentrierter Zustand anfühlt, sondern es gelingt ihnen auch immer schneller und leichter, ihn zu erreichen. «Es ist wie ein Trampelpfad», erklärt Simone Hemm, Dozentin für Neurotechnik am Institut für Medizintechnik und Medizininformatik der Hochschule für Life Sciences an der Fachhochschule Nordwestschweiz. «Wenn man ihn immer wieder geht, wird es irgendwann ein breiter Weg.»


Vom Teddy zum Massagestuhl

Aber, sagt Hemm: «Die Methode funktioniert besser, je mehr Sinne angesprochen werden. Wenn zum Beispiel zum visuellen ein taktiler Reiz hinzukommt.» Deshalb halten Kinder, während sie sich konzentrieren, oft gleichzeitig einen vibrierenden Teddybären auf dem Schoss. Lässt die Konzentration nach, hört das Stofftier auf zu vibrieren.

Nicht nur Kinder, sondern auch Erwachsene leiden an ADHS. «Für diese wollte BEE Medic, eine Medizintechnik-Firma aus Kirchberg, gemeinsam mit uns die Ansteuerung eines Massagestuhls statt eines Teddys entwickeln», sagt Hemm. Die Idee dazu hatte der Heilbronner Ergotherapeut Bastian Palm. Umgesetzt haben sie die beiden FHNW-Studierenden Sven Altermatt und Raphael Mohler unter der Leitung von Simone Hemm. Die Bachelorstudenten zerlegten den Therapie-Teddy, den ebenfalls BEE Medic herstellt, und adaptierten seine Steuerungselemente und Motoren, um einen gängigen Massagestuhl anzusteuern. «Es war toll, als ich es selbst ausprobierte», erzählt Sven Altermatt. «Ich konzentrierte mich auf das Raketen-Video, und in meiner Hand vibrierten die Motoren für den Massagestuhl. Als ich anfing, mich zu entspannen, also meine Konzentration verlor, hörten sie tatsächlich auf.»


Bald auf dem Markt

Auch Ergotherapeut Palm ist begeistert: Er nutzt den mit der FHNW entwickelten Massagestuhl bereits bei der Hälfte seiner Patienten zur Behandlung von ADHS, aber auch anderer Erkrankungen wie Migräne, Multipler Sklerose oder Burnout. Nicht nur bei Erkrankungen findet die Therapiemethode immer mehr Anwendungen, selbst im Hochleistungssport greifen viele Sportler zu dem Training, um ihre Leistungen weiter zu verbessern. Und die Firma BEE Medic will den Stuhl nun weiterentwickeln und auf den Markt bringen. «Das ist wirklich schön, dass ein so kurzes studentisches Projekt es bis zur Anwendung in der Praxis schafft», sagt Simone Hemm erfreut. 

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